Experiˆencia 6.10
Vimos na Experiˆencia 6.4 que ao tocarmos com o dedo em um eletrosc´opio carregado ele ´e imediatamente descarregado. Carregamos ent˜ao novamente o eletrosc´opio como na Experiˆencia 6.2. Agora seguramos com a m˜ao a ponta de um canudo pl´astico neutro e tocamos com a outra ponta do canudo na parte superior da cartolina de um eletrosc´opio carregado. O canudo deve apenas tocar na parte superior da cartolina, n˜ao ´e necess´ario rasp´a-lo na cartolina. Observa-se que nada acontece com a tirinha, ou Observa-seja, ela continua levantada, Figura 6.13! Ao retirar o canudo ela permanece levantada. Conclu´ımos que um canudo pl´astico neutro n˜ao remove a carga de um eletrosc´opio eletrizado.
(a) (b) (c).
Figura 6.13: (a) Eletrosc´opio inicialmente carregado. (b) Toca-se em sua car-tolina com a ponta de um canudo pl´astico neutro preso `a m˜ao. Nada ocorre com a tirinha. (c) Afasta-se o canudo e a tirinha continua levantada. Ou seja, o eletrosc´opio n˜ao ´e descarregado ao toc´a-lo com um pl´astico preso `a m˜ao.
Experiˆencia 6.11
Carregamos mais uma vez o eletrosc´opio. Desta vez seguramos com a m˜ao a ponta de um palito de madeira e tocamos com a outra ponta do palito na parte superior do eletrosc´opio carregado. Observa-se que a tirinha abaixa imediata-mente, Figura 6.14! Ao retirar o palito, ela permanece abaixada. Conclu´ımos que o palito de madeira descarregou o eletrosc´opio.
6.3.1 Defini¸ c˜ oes de Condutores e Isolantes
As Experiˆencias 6.10 e 6.11, Figuras 6.13 e 6.14, apresentam uma distin¸c˜ao fundamental entre os corpos. Devido `a importˆancia destas caracter´ısticas, foram criados nomes especiais para classificar os corpos em dois grupos.
Defini¸c˜oes: Chama-se decondutores aos corpos que descarregam um ele-trosc´opio carregado simplesmente quando entram em contato com ele. J´a os corpos que n˜ao descarregam um eletrosc´opio eletrizado quando entram em con-tato com ele s˜ao chamados deisolantes, den˜ao-condutores, ou dediel´etricos.
(a) (b) (c).
Figura 6.14: (a) Eletrosc´opio inicialmente carregado. (b) Toca-se em sua car-tolina com a ponta de um palito de madeira preso `a m˜ao. A tirinha abaixa imediatamente. (c) Afasta-se o palito e a tirinha continua abaixada. Ou seja, o eletrosc´opio ´e descarregado ao toc´a-lo com uma madeira presa `a m˜ao.
A descoberta extremamente importante destes dois tipos de corpos foi feita por Gray em 1729. Ele tamb´em descobriu algumas das principais propriedades destes materiais e publicou seus resultados em um trabalho fundamental de 1731 que discutiremos no Apˆendice B.2 As express˜oescondutoreseisolantesparecem ser devidas a Jean Th´eophile Desaguliers (1683-1744).3 Em um de seus artigos Desaguliers expressou-se da seguinte maneira:4
No seguinte relato, que ´e uma sequˆencia das experiˆencias anteriores, chamo de condutoras `as cordas nas quais se aplica em uma extre-midade o tubo [de vidro] atritado; e [chamo de]suportesaos corpos horizontais sobre os quais se apoia ocondutor.
Du Fay, antes de Desaguliers, j´a havia usado a express˜ao isolado para se referir a um condutor apoiado ou sustentado por corpos que n˜ao deixassem a eletricidade escapar por eles. Em 1733 ele discutiu a transmiss˜ao da eletricidade atrav´es de cordas suspensas por fios de seda, fato este descoberto por Gray anteriormente. Du Fay ent˜ao afirmou, nossa ˆenfase em it´alico:5
Esta experiˆencia prova como ´e necess´ario que a corda que se utiliza para transmitir ao longe a eletricidade, sejaisolada, ou seja suspensa apenas por corpos que sejam os menos apropriados poss´ıveis a se carregarem eles pr´oprios de eletricidade.
Em 1737 Du Fay afirmou o seguinte, nossa ˆenfase em it´alico:6
Portanto, estando seguro desta igualdade para as experiˆencias que desejava realizar, me servi de uma barra de ferro com uma polegada
2[Grah].
3[Desa] (se referindo a [Desc]), [Pri66, p´ag. 82] e [Hei99, p´ags. 292-293, nota 12].
4[Desa, p´ag. 193].
5[DF33d, p´ag. 249].
6[DF37b, p´ag. 94].
quadrada [2,54 por 2,54 cm] e com um comprimento de quatro p´es [122 cm]. Ela estava, como disse, suspensa sobre cord˜oes de seda e isolada, com a finalidade de que nada pudesse desviar o turbilh˜ao el´etrico que lhe seria comunicado [pelo tubo de vidro atritado].
E prov´´ avel que a express˜aoisolantetenha se originado destas cita¸c˜oes de Du Fay. No Apˆendice B apresentaremos o trabalho de Gray em mais detalhes.
Experiˆencia 6.12
Vamos agora repetir as Experiˆencias 6.10 e 6.11 para descobrir quais corpos s˜ao condutores e quais s˜ao isolantes. O procedimento a ser adotado ´e sempre o mesmo. Carrega-se um eletrosc´opio raspando-o com um canudo eletrizado, como na Experiˆencia 6.2. Afasta-se o canudo. Segura-se um certo corpo com a m˜ao e se toca na cartolina com alguma parte deste corpo. Caso o corpo descarregue o eletrosc´opio, ele ser´a chamado de condutor. Caso o corpo n˜ao descarregue o eletrosc´opio, ele ser´a chamado de isolante.
Esta experiˆencia pode ser feita com fios de v´arias substˆancias, sempre en-costando apenas um fio de cada vez no eletrosc´opio eletrizado: algod˜ao, seda, poli´ester, poliamida sint´etica, cabelo, fio de cobre, etc. Pode tamb´em ser feita com substˆancias s´olidas como metais, madeira, vidro, borracha, pl´astico, papel, papel de “seda,” etc.
Em alguns casos ´e mais f´acil segurar no eletrosc´opio carregado pelo canudo pl´astico que prende a cartolina e ent˜ao tocar com uma quina da cartolina em alguma substˆancia, como a parede, a lousa, um arquivo de metal, etc. O cuidado que se deve ter nestes casos ´e o de n˜ao tocar com nosso corpo na tirinha nem na cartolina, para evitar de descarregar o eletrosc´opio por aterramento atrav´es do nosso corpo.
Experiˆencia 6.13
O procedimento descrito no par´agrafo final da Experiˆencia 6.12 tamb´em ´e adequado para verificar quais l´ıquidos s˜ao condutores ou isolantes. Antes de come¸car a experiˆencia, pega-se um copo ou um pote vazio que depois ser´a pre-enchido com o l´ıquido a ser testado. ´E melhor que o recipiente seja condutor.
Para verificar isto, carrega-se um eletrosc´opio e toca-se o copo ou pote na carto-lina do eletrosc´opio. Caso a tirinha abaixe, isto vai significar que o copo ou pote
´e de fato condutor. Exemplos de condutores s˜ao copos de metal ou de madeira.
A maioria dos copos de vidro tamb´em s˜ao condutores. Pode-se ent˜ao prosseguir a experiˆencia.
Inicialmente o copo ´e cheio at´e a borda com o l´ıquido que se quer testar.
Vamos ilustrar o que ocorre no caso de um l´ıquido condutor como a ´agua.
Isto est´a ilustrado na Figura 6.15. Neste caso temos na Figura 6.15 (a) um eletrosc´opio carregado, seguro apenas por seu canudo, sem tocarmos em sua cartolina ou na tirinha de papel de “seda”. Afunda-se uma quina do eletrosc´opio eletrizado em um copo cheio de ´agua at´e a borda. Deve-se evitar de tocar com a cartolina no copo. No caso da ´agua, observa-se que a tirinha se abaixa,
Figura 6.15 (b). Ao retirarmos o eletrosc´opio da ´agua, observa-se que a tirinha permanece abaixada, Figura 6.15 (c).
(a) (b) (c)
.Figura 6.15: (a) Eletrosc´opio inicialmente carregado. (b) Afunda-se uma quina da cartolina em um copo cheio de ´agua, observando-se que a tirinha abaixa. (c) Ao retirar o eletrosc´opio da ´agua, a tirinha continua abaixada.
Na Figura 6.16 ilustramos o que ocorre no caso de um l´ıquido isolante como o ´oleo vegetal de cozinha. Na Figura 6.16 (a) temos um eletrosc´opio carregado, seguro apenas por seu canudo, sem tocarmos em sua cartolina ou na tirinha de papel de “seda”. Afunda-se uma quina do eletrosc´opio eletrizado no recipiente cheio de ´oleo at´e a borda. Deve-se evitar de tocar com a cartolina no recipiente.
Neste caso observa-se que a tirinha permanece afastada da cartolina, Figura 6.16 (b). Ao retirarmos o eletrosc´opio do ´oleo observa-se que a tirinha permanece levantada, Figura 6.16 (c).
(a) (b) (c)
.Figura 6.16: (a) Eletrosc´opio inicialmente carregado. (b) Afunda-se uma quina da cartolina em um copo cheio de ´oleo vegetal at´e a borda, observando-se que a tirinha permanece levantada. (c) Ao retirar o eletrosc´opio da ´oleo, a tirinha permanece levantada.
O mesmo procedimento usado para testar quais l´ıquidos s˜ao condutores ou
isolantes, pode ser usado para testar a condutividade das farinhas. Ou seja, um recipiente condutor ´e cheio com a farinha a ser testada. Afunda-se uma quina do eletrosc´opio carregado na farinha e ´e observado se sua tirinha abaixa ou n˜ao.
Os cuidados principais s˜ao o de evitar que a quina do eletrosc´opio toque no recipiente condutor e no nosso corpo.
6.3.2 Corpos que se Comportam como Condutores e Iso-lantes nas Experiˆ encias Usuais de Eletrost´ atica
Para que a distin¸c˜ao entre condutores e isolantes seja mais precisa, o ideal seria que todos os corpos a serem testados tivessem a mesma forma e o mesmo tamanho. Por exemplo, poder´ıamos tocar o eletrosc´opio carregado com cilindros de mesmo diˆametro e comprimento. Por hora vamos deixar este cuidado de lado.
O resultado das Experiˆencias 6.10, 6.11, 6.12 e 6.13 realizadas com diversas substˆancias ´e o seguinte:
∙ Condutores para experiˆencias comuns de eletrost´atica:
ar ´umido, corpo humano, todos os metais, papel, cartolina, papel de alum´ınio, papel de “seda,” papel˜ao, madeira, algod˜ao, giz, a maior parte dos vidros `a temperatura ambiente, porcelana, ´agua de torneira, ´alcool, xampu, querosene, leite, refrigerante, detergente, parede, lousa, rolha, fa-rinha de trigo, fub´a, fio de acr´ılico, sal, a¸c´ucar, serragem, couro, terra, tijolo, a maior parte dos tipos de borracha, etc.
∙ Isolantes para experiˆencias comuns de eletrost´atica:
ar seco, ˆambar, pl´astico, PVC, seda, n´ailon ou poliamida sint´etica, vidro aquecido, poli´ester, l˜a, cabelo, tubo de acr´ılico, isopor, barra de chocolate,
´oleo de soja de cozinha, caf´e em p´o e alguns poucos tipos de borracha.
Experimentalmente verifica-se que existe um n´umero muito maior de subs-tˆancias condutoras do que de substˆancias isolantes. A partir destas duas listas conclui-se que a maior parte dos materiais s˜ao condutores, bem poucos s˜ao iso-lantes. Entre os condutores alguns s˜ao muito bons, descarregando o eletrosc´opio quase que instantaneamente, como ´e o caso do corpo humano, dos metais, do algod˜ao ou do papel. Embora a madeira seja condutora, ela n˜ao conduz t˜ao bem quanto os metais ou o corpo humano. Isto ´e indicado pelo maior tempo necess´ario para descarregar o eletrosc´opio quando o tocamos com a madeira, comparado com o tempo muito curto quando o tocamos com nosso corpo ou com algum metal.
O vidro ´e um caso `a parte. Boa parte deles descarrega o eletrosc´opio, embora mais lentamente do que os metais. Por outro lado, se eles forem aquecidos no fogo ou em um micro-ondas, eles podem se comportar como isolantes. Ou seja, depois de aquecidos eles n˜ao descarregam o eletrosc´opio, ou ent˜ao o descarregam muito mais lentamente do que se n˜ao tiverem sido aquecidos. Em geral eles se comportam como condutores devido `a umidade ou vapor de ´agua que se acumula sobre sua superf´ıcie. Ao aquecer o vidro, esta umidade ´e evaporada e ele se comporta como um isolante. Boa parte dos pesquisadores antigos como Gray e
Du Fay utilizavam o vidro atritado em suas experiˆencias, segurando-o pela m˜ao.
Ele se comportava como um isolante. Muitas vezes mencionavam a necessidade de aquecˆe-lo antes de atrit´a-lo, j´a que isto aumentava a carga que adquiriam, al´em de tornar mais permanente e duradoura esta carga gerada por atrito. O outro motivo para este comportamento como isolante do vidro que utilizavam, deve ter vindo de sua composi¸c˜ao. Em geral utilizavam o flint-glass, que ´e um tipo de vidro com base de chumbo. Este tipo de vidro ´e mais isolante do que a maioria dos vidros que se encontram hoje em dia no com´ercio. N˜ao ´e f´acil de encontrar este tipo de vidro nos dias atuais, a n˜ao ser em lojas especializadas.
Quando o dia est´a seco e frio, vem que o eletrosc´opio fica v´arios minutos carregado. O ar ao redor do eletrosc´opio se comporta ent˜ao como um isolante.
Por outro lado, em dias quentes e ´umidos, e especialmente em dias chuvosos, vem que ´e dif´ıcil mantˆe-lo carregado, j´a que se descarrega logo que terminou de ser raspado com um canudo atritado. O ar ao seu redor se comporta ent˜ao como um condutor. ´E por este motivo que boa parte das experiˆencias funciona muito bem em dias secos, quando as cargas geradas por atrito s˜ao facilmente mantidas em isolantes ou em condutores que estejam isolados eletricamente do solo. Estas experiˆencias j´a n˜ao funcionam t˜ao bem em dias ´umidos.
Diversas borrachas tamb´em se comportam como condutoras, seja pela umi-dade que acumulam na superf´ıcie, seja pelo tipo de composi¸c˜ao da borracha ou pelo processo de fabrica¸c˜ao. Outras j´a se comportam como isolantes. O ideal ´e testar todos os materiais dispon´ıveis, classificando-os ent˜ao de acordo com seu comportamento.
Esta distin¸c˜ao das substˆancias entre condutores e isolantes ´e um dos aspectos mais importantes de toda a eletricidade. Juntamente com a existˆencia das cargas positivas e negativas, com suas atra¸c˜oes e repuls˜oes, ela permite que se compreenda uma imensa s´erie de fenˆomenos.